细胞生物学-11第十一章增殖及其调控

一、细胞周期调控系统的主要作用
◆在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶 和蛋白,然后自身失活(正调控)
◆确保每一时相事件的全部完成(负调控)
◆对外界环境因子起反应(如多细胞生物对增殖 信号的反应)
二、细胞周期检验点(checkpoint)
◆细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制, 主要是确保周期每一时相事件的有序、全部完 成并与外界环境因素相联系
第二节 细胞周期的调控(Cell-Cycle Control)
●细胞周期调控系统的主要作用 ●细胞周期检验点(Cell Cycle Checkpoint) ●MPF ●芽殖酵母的研究 ●裂殖酵母的研究 ●周期蛋白 (Cyclin)的发现 ●MPF组成鉴定 ●CDK和CDKI ------细胞周期运转的阻遏 ●周期蛋白(Cyclin) ●细胞周期调控方式 ●影响细胞周期调控的其它因素
植物细胞胞质分裂
◆与动物细胞胞质分裂不同的是，植物细胞胞 质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜和细 胞壁而将细胞分开
减数分裂概念与过程
◆概念：减数分裂是细胞仅进行一次DNA复制，随 后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的 有丝分裂
◆减数分裂过程
减数分裂的意义
◆确保世代间遗传的稳定性；
◆增加变异机会，确保生物的多 样性，增强生物适应环境变 化的能力。
有丝分裂结束
动物细胞胞质分裂
◆胞质分裂(cytokinesis)开始于细胞分裂后期，在
赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为
分裂沟(furrow)。分裂沟的位置与纺锤体极性微管和
钙离子浓度升高的变化有关 ◆胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中体
处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为 收缩环（contractile ring)。收缩环收缩、收缩环 处细胞膜融合并形成两个子细胞
◆细胞周期检验点及其作用
G1 期 检 验 点 ： 酵 母 ——Start ； 动 物 细 胞 ——Restriction Point
三、 MPF (Maturation-promoting factor，
Mitosis-promoting factor)
●MPF(Maturation-promoting factor， Mitosis-promoting factor)的发现及其生化实质
细胞周期中不同时相及其主要事件
◆ G1期 ◆S期 ◆ G2期 ◆ M期
G1期
·与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所 需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂 等，同时染色质去凝集。
G2期
·DNA复制完成，在G2期合成 一定数量的蛋白质和RNA分子
M期
·M期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主 要包括两种方式，即有丝分裂(mitosis)和 减数分裂(meiosis)。遗传物质和细胞内其 他物质分配给子细胞。
爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期
·细胞分裂快,无G1期, G2期非常短,S期也短(所有复 制子都激活), 以至认为仅含有S期和M期
·无需临时合成其它物质 ·子细胞在G1、G2期并不生长，越分裂体积越小 ·细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准的 细胞周期基本是一致的
酵母细胞的细胞周期
·酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在时相和 调控方面相似 ·酵母细胞周期明显特点:
·在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复 合物称为动粒(kinetochore)
间期动物细胞含一个MTOC，即中心体，在 S期末，两个中心粒在各自垂直的方向复制出一 个中心粒，形成两个中心体。当前期开始时， 2个中心体移向细胞两极，并同时组织微管生 长，由两极形成的微管通过微管结合蛋白在正 极末端相连，最后形成有丝分裂纺锤体。
◆细胞周期时相组成
◆细胞周期时间
◆根据增殖状况，细胞分类三类
细胞周期时相组成
·间期(interphase): G1 phase，S phase，G2 phase ·M phase: 有丝分裂期(Mitosis), 胞质分裂期(Cytokinesis)
细胞沿着G1→S→G2→M→G1周期性运转，在间期细胞体 积增大(生长)，在 M 期细胞 先是核分裂，接着胞质分裂， 完成一个细胞周期。
Cyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转
◆Cyclin-Cdk复合物的多样性 Cyclin-Cdk---调控细胞周期的引擎：不同的周期蛋白 与不同的CDK结合，构成不同的Cyclin-Cdk； 不同的Cyclin-Cdk在不同的时相表现活性，影响不同 的下游事件。
◆G2／M期转化与CDK l激酶的关键性调控作用 ◆M期周期蛋白与分裂中期向分裂后期转化 ◆G1 Cyclin-Cdk复合物对Rb蛋白磷酸化而调控G1检验点
第十一章 细胞增殖及其调控
●细胞增殖(cell proliferation)的意义 ●细胞周期与细胞分裂 ●细胞周期调控
细胞增殖(cell proliferation)的意义
◆细胞增殖(cell proliferation)是细胞生命活动的重 要特征之一,是生物繁育的基础。
◆单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加。 ◆多细胞生物由一个单细胞(受精卵)分裂发育而来， 细胞
酵母细胞周期持续时间较短； 封闭式细胞分裂 ，即细胞分裂时核膜不解聚； 纺锤体位于细胞核内； 在一定环境下，也进行有性繁殖
芽殖酵母和裂殖酵母
植物细胞的细胞周期
·植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期 非常相似，含有G1期、S期、G2期和M期四个时期。 ·植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常 组装纺锤体。 ·植物细胞以形成中板的形式进行胞质分裂
◆减数分裂是生物有性生殖的基础， 是生物遗传、生物进化和生物多 样性的重要基础保证。
减数分裂特点
◆遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次， 导致染色体数目减半
◆S期持续时间较长 ◆同源染色体在减数分裂期I(MeiosisI)配对联会、基因
重组 ◆减数分裂同源染色体配对排列在中期板上,第
一次分列时,同源染色体分开
· 分裂中期阻断法：通过抑制微管聚合来抑制细胞 分裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。优点 是操作简便，效率高。缺点是这些药物的毒性相对 较大
特异的细胞周期
特异的细胞周期是指那些特殊的细胞所具 有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细 胞周期。
◆爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期 ◆酵母细胞的细胞周期 ◆植物细胞的细胞周期 ◆细菌的细胞周期
一、细胞周期(cell cycle)概述
●细胞周期 ●细胞周期中各个不同时相及其主要事件 ●细胞周期长短测定 ●细胞周期同步化 ●特异的细胞周期
二、有丝分裂(mitosis)
●前期(prophase) ●前中期(prometaphase) ●中期(metaphase) ●后期(anaphase) ●末期(telophase) ●胞质分裂(Cytokinesis)
细胞周期时间
·不同细胞的细胞周期时间差异很大 ·S+G2+M 的时间变化较小，细胞周
期时间长短主要差别在G1期 ·有些分裂增殖的细胞缺乏G1、G2期
根据增殖状况，细胞分类三类
·连续分裂细胞(cycling cell) ·休眠细胞(Go细胞) ·终末分化细胞
G0期细胞和终末分化细胞的界限有时难以划 分，有的细胞过去认为属于终末分化细胞，目前 可能被认为是G0期细胞。
◆标志前期开始的第一个特征是染色质开始浓缩 (condensation) 形 成 有 丝 分 裂 染 色 体 (mitotic chromosome）
◆第二个特征细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体 (mitotic spindle)开始装配 ◆Golgi体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡
·这种染色体由两条染色单体(chromatid)构成
减数分裂前S期与有丝分裂前S期长度比较
减数分裂前S期
蝾螈 10天
小鼠 14小时
小麦 酵母
12小时 1.0小时
有丝分裂前S期
12小时 5～6小时 3.8小时 0.5小时
·前期I分为细线期，偶线期，粗线期，双线期， 终变期等五个阶段
·形成联会复合体(Synaptonemal Complex, SC) ·同源染色体间遗传物质重组,产生新的基因组合
胞质分裂(Cytokinesis)
●动物细胞胞质分裂 ●植物细胞胞质分裂
四、减数分裂(Meiosis)
●减数分裂概念与过程： ●减数分裂特点 ●脊椎动物配子发生过程 ●减数分裂的意义
细胞周期
◆概念： 从一次细胞分裂开始到下一次细胞分裂开始，
或从一次细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束，称 为一个细胞周期。
MPF的发现及其生化实质
◆ 细 胞 融 合 与 PCC(Premature chromosomal condense)
◆爪蟾卵子成熟过程 ◆MPF的发现
G2／M期转化与CDK l激酶的关键性调控作用
◆活化 ·随Cyclin浓度变化而变化 ·激酶与磷酸酶的调节， 活化的MPF可使更多的MPF活化
◆功能：启动细胞从G2期进入M期的相关事件
细胞周期同步化
◆自然同步化，如有一种粘菌的变形体plasmodia，
某些受精卵早期卵裂
◆人工选择同步化 ◆药物诱导法
◆条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用： 将与细胞周期调控有关的条件依赖性突变株转移 到限定条件下培养，所有细胞便被同步化在细胞 周期中某一特定时期。
人工选择同步化
·有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞。优点是细 胞未经任何药物处理，细胞同步化效率高。缺点是 分离的细胞数量少。
◆每个细胞周期DNA只能复制一次 ◆细胞周期调控模型总结
中期(metaphase)
◆所有染色体排列到赤道板(Metaphase Plate)上， 标志着细胞分裂已进入中期
◆是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上？ ·着丝粒微管动态平衡形成的张力
后期(anaphase)
◆排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离 产生向极运动
◆后期(anaphase)大致可以划分为连续的两个阶段，即后期 A和后期B
前中期(prometaphase)
◆核膜破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白中 特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体
◆纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体
每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反方向，保 证与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后， 形成三种类型的微管 ◆不断运动的染色体开始移向赤道板。细胞周期也由前中期 逐渐向中期运转。
S期
·DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串 珠结构
细胞周期长短测定
◆脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法
(Percentage of labelled mitosis ，PLM)
◆流式细胞仪测定法 (Flow Cytometry) ◆缩时摄像技术，
可以得到准确的细胞周期时间及分裂间 期和分裂期的准确时间。
·后期A，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动 ·后期B，极间微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉 长，介导染色体向极运动
末期(telophase)
◆染色单体到达两极，即进入了末期（telophase）, 到达两极的染色单体开始去浓缩
◆核膜开始重新组装 ◆ Golgi体和ER重新形成并生长 ◆核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复,
增殖是多细胞生物繁殖基础。 ◆成体生物仍然需要细胞增殖，主要取代衰老死亡的细胞，
维持个体细胞数量的相对平衡和机体的正常功能。 ◆机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要依赖
细胞增殖。
第一节 细胞周期与细胞分裂
●细胞周期(cell cycle)概述 ●有丝分裂(Mitosis) ●减数分裂(Meiosis)
·密度梯度离心法：根据不同时期的细胞在体积和重量 上存在差别进行分离。优点是方法 简单省时，效率高， 成本低。缺点是对大多数种类的细胞并不适用。
药物诱导法
· DNA合成阻断法 ─ G1/S-TdR双阻断法：最终将 细胞群阻断于G1/S交界处。优点是同步化效率高， 几乎适合于所有体外培养的细胞体系。缺点是诱 导过程可造成细胞非均衡生长
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
细菌的细胞周期
·慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期过程 有
一定相似之处。其DNA复制之前的准备时间与G1期 类似。分裂之前的准备时间与G2期类似。再加上S 期和M期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期 ·细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和最
基本的DNA复制速度之间的矛盾
前期(prophase)